Université des Sciences et de la Technologie Mohamed BOUDIAF d’Oran
Faculté de Génie Mécanique
Département de Génie Maritime
Thèse de Doctorat de Troisième Cycle
Spécialité : Génie Maritime
Option: Thermodynamique, Propulsion Marine & Environnement
Présentée par: M. DJERMOUNI Mohamed
Thème
Evaluation Thermodynamique de l’Utilisation du
Gaz Naturel dans les Moteurs Diesel Marins
Soutenue le, ………..
Devant le Jury :
SABEUR Amina Présidente Prof. USTO-MB
OUADHA Ahmed Encadreur Prof. USTO-MB
AZZI Abbès Examinateur Prof. USTO-MB
EL-GANAOUI Mohammed Examinateur Prof. U. Lorraine, France BOUMEDDANE Boussad Examinateur Prof. U. Blida
Université des Sciences et de la Technologie Mohamed BOUDIAF d’Oran
Faculté de Génie Mécanique
Département de Génie Maritime
Thèse de Doctorat de Troisième Cycle
Spécialité : Génie Maritime
Option: Thermodynamique, Propulsion Marine & Environnement
Présentée par: M. DJERMOUNI Mohamed
Thème
Evaluation Thermodynamique de l’Utilisation du
Gaz Naturel dans les Moteurs Diesel Marins
Soutenu le, ………..
Devant le Jury :
SABEUR Amina Présidente Prof. USTO-MB
OUADHA Ahmed Encadreur Prof. USTO-MB
AZZI Abbès Examinateur Prof. USTO-MB
EL-GANAOUI Mohammed Examinateur Prof. U. Lorraine, France BOUMEDDANE Boussad Examinateur Prof. U. Blida
A
La mémoire de mes parents. En hommage aux efforts, ainsi qu’aux sacrifices qu’ils n’ont jamais cessé de consentir pour moi.
Mon épouse, pour son soutien, ses encouragements, sa compréhension et surtout sa patience.
Mes frères et sœurs.
Mes beaux frères et belles sœurs. Mon neveu et ma nièce.
Tout d’abord je rends grâce à Dieu de m’avoir donné le courage et la volonté, ainsi que la conscience d’avoir pu terminer mon travail.
Mes remerciements vont tout d’abord à mon directeur de thèse Prof. Ahmed OUADHA, qui est le principal instigateur de ce travail. Les connaissances scientifiques que j’ai acquises durant la préparation de ma thèse dans un domaine assez passionnant qu’est la thermodynamique sont en grande partie grâce à lui. Je lui exprime ma reconnaissance pour la qualité de son encadrement, sa rigueur et pour tout le temps qu’il m’a consacré afin que je puisse accomplir ce travail.
Je remercie également les membres du jury : Prof. AZZI Abbès, Prof. SABEUR Amina, Prof. EL-GANAOUI Mohamed, Prof BOUMEDDANE Boussad et Dr. HOUAT Samir pour avoir accepté d’examiner ma thèse, pour tout l’intérêt qu’ils ont porté à ce travail et pour leurs commentaires constructifs.
Mes vifs remerciements vont à tous les enseignants du département de Génie Maritime qui ont veillé sur notre formation et qui ont tenu à faire accroître nos connaissances. Enfin, merci de tout mon cœur à ma femme et à mes amis : Mohamed, Fouad, Redouane, Hicham, Chafik, Larbi… pour leur patience et leur soutien tout au long de ces années.
Résumé
Dans le but d’entreprendre une analyse thermodynamique, il est nécessaire de disposer d’un modèle permettant le calcul des propriétés thermodynamique du fluide moteur. Dans ce contexte, des formules simples et précises pour le calcul des propriétés thermodynamiques de l’air et des différents produits de la combustion en fonction de la température et la composition du carburant ont été élaborées.
Le modèle élaboré a été exploité d’abord pour réaliser une analyse thermodynamique d’un cycle mixte, ensuite pour entreprendre une analyse énergétique et exergétique d’un système basé sur un moteur HCCI utilisant le gaz naturel comme carburant.
Le cycle réalisé dans les cylindres d’un moteur Diesel se rapproche du cycle mixte ou combiné. A cet effet, une analyse thermodynamique d’un cycle mixte a été conduite. L’analyse consistait à déterminer l’effet du taux de compression, de la vitesse moyenne du piston et le taux d’élévation de pression sur les performances du cycle. Le fluide moteur est considéré comme de l’air dont la chaleur spécifique est fonction de la température.
L’utilisation de solutions technologiques telle que la combustion HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) avec carburant alternatif tel que le gaz naturel offrent des voies vers un transport maritime plus respectueux de l’environnement. La technologie HCCI vise, en particulier, la réduction des oxydes d’azotes, alors que le gaz naturel, grâce à sa composition chimique, permet une nette réduction des émissions du dioxyde de carbone et des émissions quasi nulles des oxydes de soufre.
A court terme, le gaz naturel comme carburant à bord des navires devrait s’imposer, notamment avec la perpétuelle évolution des mesures de réduction des polluants occasionnés par l’utilisation des carburants classiques.
permet d’évaluer le comportement des performances énergétiques et exergétiques en fonction des paramètres de fonctionnement d’un système basé sur un moteur HCCI utilisant le gaz naturel en guise de carburant.
A cet effet, un modèle thermodynamique dans lequel le fluide moteur est un mélange de gaz de combustion ayant des chaleurs spécifiques fonction de la température a été développé. Le modèle permet de calculer l’enthalpie, l’entropie et l’exergie dans chaque point du cycle.
i
Sommaire
Nomenclature……….. iii
Liste des Figures ……… v
Liste des Tableaux ……… vii
Chapitre 1
Introduction
1.1 Revue Bibliographique ……….. 1.1.1 Travaux antérieurs sur les technologies de réduction des émissions
des moteurs Diesel marins ……….. 1.1.2 Travaux antérieurs sur la technologie HCCI ……….. 1.1.3 Travaux antérieurs sur les carburants alternatifs dans les moteurs
HCCI ………... 1.2 Objectifs de la Thèse ……….. 5 6 12 19 24
Chapitre 2
Moteurs Diesel Marins et Technologies de Réduction des Emissions
2.1 Moteurs Diesel Conventionnels ………. 2.2 Emissions des Moteurs Diesel Marins ………... 2.3 Technologies de Réduction des NOx et SOx ………. 2.3.1 Technologies de réduction des NOx ………. 2.3.2 Technologies de réduction des SOx ……….. 2.3.3 Autres carburants alternatifs et sources d’énergie ……… 2.4 Moteurs HCCI ……… 2.4.1 Principe de la combustion HCCI ………..
28 35 38 39 39 41 41 42
ii
Chapitre 3
Propriétés Thermodynamiques des Produits de Combustion
3.1 Réaction Chimique de Combustion ...………... 3.2 Propriétés Thermodynamiques des Espèces……….….. 3.2.1 Chaleur spécifique à pression constante ... 3.2.2 Enthalpie et entropie spécifiques ……… 3.2.4 Propriétés du mélange des gaz de combustion ...
50 55 55 59 60
Chapitre 4
Analyse Thermodynamique d’un Cycle Mixte
4.1 Analyse Thermodynamique d’un Cycle Mixte ………... 4.2 Résultats et Discussions ……….. 4.2.1 Influence combinée du taux de compression et de la vitesse du piston sur les performances du cycle ……….. 4.2.2 Influence combinée du taux de compression et du taux d’élévation de pression sur les performances du cycle ……… 4.2.3 Influence du rendement de compression sur les performances du cycle
62 66 66 68 70
Chapitre 5
Analyse Thermodynamique d’un Moteur HCCI
5.1 Description du Système ... 5.2 Analyse Thermodynamique ... 5.2.1 Analyse énergétique ... 5.2.1 Analyse exergétique ... 5.3 Résultats et Discussions ... 73 74 74 78 82
Conclusions et Perspectives
93Références Bibliographiques
96iii
Nomenclature
cp Chaleur spécifique à pression constante, kJ/kg.K Ex Exergie, kW
ex Exergie spécifique, kJ/kg f Fraction des gaz résiduels H Enthalpie, kJ
h Enthalpie massique, kJ/kg
hc Coefficient instantané de transfert de chaleur, kW/m².K M Masse molaire, g/mol
m Débit massique, kg/s
N Vitesse de rotation du moteur, trs/min P Puissance, kW
p Pression, MPa
R Constante universelle des gaz, J/mol.K r Constante du gaz, J/kgK
rc Taux de compression
rp Rapport de pression du compresseur
Q Quantité de chaleur par unité de temps, kW s Entropie spécifique, J/kgK T Température, K v Volume spécifique, m3/kg net W Energie, kW w Travail, kJ/kg l Q Pertes de chaleur, kW
iv
ex
ExergieSymboles Grecs
α Taux d’élévation de pression ε Efficacité du régénérateur Ex Pertes d’exergie, kW η Rendement Indices 0 Etat d’environnement c compresseur cat Catalyseur Comp Compression exp Détente/turbine l Pertes de chaleur mix Mélangeur out Rejetée reg Régénérateur th Thermique
v Figure 1.1. Combustion dans un moteur HCCI en comparaison avec un moteur à
allumage commandé et un moteur Diesel ………. 4
Figure 2.1. Schéma d’un système de propulsion d’un navire ……….. 27
Figure 2.2. Section transversale d’un moteur Diesel marin à deux temps………... 29
Figure 2.3. Evolution des étapes d’une combustion Diesel conventionnelle……... 31
Figure 2.4. Logement du vilebrequin d’un moteur Diesel marin………. 31
Figure 2.5. Vilebrequin d’un moteur Diesel marin……….. 32
Figure 2.6. Corps d’un moteur Diesel marin……… 32
Figure 2.7. Bloc-cylindres et chemises d’un moteur Diesel marin……….. 33
Figure 2.8. Pistons et bielles d’un moteur Diesel marin………... 33
Figure 2.9. Section d’une culasse d’un moteur Diesel marin………... 34
Figure 2.10. Arbre à cames d’un moteur Diesel marin……….. 34
Figure 2.11. Système d’alimentation en carburant d’un moteur Diesel marin……... 35
Figure 2.12. Emissions typiques d’un moteur Diesel moderne à faible régime …… 37
Figure 2.13. Principe de fonctionnement d’un moteur HCCI……… 43
Figure 4.1. a. Diagramme p-v ; b. Diagrammes T-s d’un cycle mixte………. 63
Figure 4.2. Variation de la puissance produite par le cycle en fonction du taux de compression et la vitesse moyenne du piston……… 67
Figure 4.3. Variation de la puissance produite par le cycle en fonction du rendement thermique et de la vitesse moyenne du piston……… 68
Figure 4.4. Variation de la puissance produite par le cycle en fonction du taux de compression et du taux d’élévation de pression …………... 69
Figure 4.5. Variation de la puissance produite par le cycle en fonction du rendement thermique et du taux d’élévation de pression………... 70
vi température ambiante sur les performances du système : a. Rendement thermique ; b. Rendement exergétique……… 84 Figure 5.4. Effets combinés du rapport d’équivalence et de la vitesse de rotation
du moteur sur les performances du système : a. Rendement thermique
; b. Rendement exergétique……… 86
Figure 5.5. Distribution des pertes d’exergie dans le moteur HCCI……… 91 Figure 5.6. Effets combinés des rendements isentropiques du compresseur et de
la turbine sur les performances du système : a. Rendement thermique; b. Rendement exergétique... 92
vii Tableau 1.1. Limites des émissions des NOx fixées par l’annexe VI de la
MARPOL……… 4
Tableau 2.1. Comparaison entre les quatre systèmes de propulsion des navires…. 27 Tableau 2.2. Classification des moteurs Diesel marins……….. 28
Tableau 2.3. Technologies de réduction des NOx et des SOx……… 40
Tableau 2.4. Comparaison entre moteurs Diesel conventionnels et moteurs HCCI………... 44
Tableau 3.1. Propriétés du carburant Diesel comparées au gaz naturel……….. 51
Tableau 3.2. Marges de variation des concentrations des composants du gaz naturel à travers le monde……….. 52
Tableau 3.3. Coefficients numériques intervenant dans l’équation 3.8……….. 54
Tableau 3.4. Coefficients numériques intervenant dans l’équation 3.15……… 58
Tableau 3.5. Constantes d’intégration………. 60
Tableau 4.1. Données de calcul du cycle Diesel mixte………... 66
Tableau 4.2. Influence des rendements de compression et de détente sur les performances du cycle....……….... 71 Tableau 5.1. Formulation de l’analyse exergétique……… 81
Tableau 5.2. Conditions de fonctionnement………... 83
Tableau 5.3. Effet du rapport de pression du compresseur sur les pertes d’exergie et les rendements exergétiques des composants du système…………. 87
Tableau 5.4. Effet de la vitesse de rotation du moteur sur les pertes d’exergie et les rendements exergétiques des composants du système………... 88
Tableau 5.5. Effet du rapport d’équivalence sur les pertes d’exergie et les rendements exergétiques des composants du système……… 89
1
Chapitre 1
Introduction
Sommaire
1.1 Revue Bibliographique ……….. 1.1.1 Travaux antérieurs sur les technologies de réduction des émissions
des moteurs Diesel marins ……….. 1.1.2 Travaux antérieurs sur la technologie HCCI ……….. 1.1.3 Travaux antérieurs sur les carburants alternatifs dans les moteurs HCCI ………... 1.2 Objectifs de la Thèse ……….. 5 6 12 19 24 La majorité des marchandises produites et consommées dans le monde sont acheminées par voies maritimes à des coûts raisonnables. Les marchandises sont acheminées pour l’essentiel à bord d’une vaste flotte composée de divers types navires de haute technicité. Le transport maritime devrait continuer à être préféré aux autres moyens de transport pour contribuer d’une manière considérable à la prospérité de l’économie mondiale. Cependant, cette compétitivité doit être accompagnée par un ensemble de mesures visant le respect de l’environnement. En effet, la pollution de l’environnement due aux émissions des systèmes de propulsion marins s’est aggravée considérablement ces dernières années suite à une augmentation de la flotte mondiale et à l’intensité du trafic maritime. Par conséquent, comme pour toutes les industries, les préoccupations concernant les changements climatiques exigent la réduction des émissions de gaz à effet de serre du secteur de transport maritime.
Ces dernières décennies, le moteur Diesel a atteint une position de leader dans les applications marines. Ainsi, plus de 99% des grands navires de commerce ont adopté
2 ce type de moteur pour leurs systèmes de propulsion. Le moteur Diesel turbo à deux temps de gros calibre a une position dominante dans le secteur maritime, car il est capable d’associer la puissance élevée, le rendement, l’utilisation de carburants bon marché, la fiabilité et la durabilité (Ishii, 1997). La fiabilité et le rendement constituent des facteurs majeurs pour un moteur marin. Tout dysfonctionnement, défaut ou panne du moteur principal de propulsion ou des moteurs auxiliaires peuvent avoir de graves conséquences sur la sécurité du navire. Des systèmes de contrôle du fonctionnement de ces moteurs doivent être installés pour détecter tout défaut ou disfonctionnement (Jones et Li, 2000).
Les moteurs Diesel marins sont classés généralement en moteurs Diesel lents à deux temps; moteurs semi-rapides à quatre temps; et moteurs rapides à quatre temps. Depuis les années 1960 et 70, le développement de moteurs Diesel lents et des moteurs Diesel semi-rapides a été motivé par la nécessité d’une meilleure économie de carburant. Des progrès importants ont été réalisés pour augmenter le rapport course/alésage, les pressions maximales et la vitesse moyenne du piston des moteurs Diesel lents à deux temps conduisant à des réductions importantes de la consommation spécifique du carburant.
Le contrôle des émissions des gaz d’échappement est devenu un facteur important dans l’industrie marine et offshore ces dernières années. L’importance de cette dimension va encore augmenter dans les années à venir étant donné que les réglementations environnementales marines deviennent de plus en plus sévères avec la prise de conscience des questions écologiques par les populations.
Les émissions provenant des moteurs Diesel marins sont considérées comme l’une des principales sources de pollution de l’air qui menacent sérieusement notre environnement. Le taux de compression élevé engendre des températures élevées des gaz à l’intérieur de la chambre de combustion et sur les parois des cylindres, ce qui conduit à la formation des oxydes d’azote (NOx). Des efforts pour réduire ces émissions, en particulier les particules et les oxydes d’azote, sont nécessaires pour la préservation de l’environnement, la santé humaine, le bien-être et la prospérité.
3 Depuis le début du vingt et unième siècle, une augmentation significative de la réglementation sur les émissions, non seulement par l’Organisation Maritime Internationale (OMI), mais aussi par des réglementations régionales dans certains pays a été constatée.
Les moteurs Diesel marins présentent l’avantage d’utiliser des carburants lourds de mauvaises qualités avec un rendement élevé. Cependant, cet avantage n’est pas sans conséquence sur l’environnement. En effet, les émissions des NOx des moteurs Diesel marins sont plus élevées que celles des moteurs Diesel destinés à d’autres applications telles que l’automobile et les centrales électriques. A cette fin, l’OMI a formulé, dans sa convention MARPOL Annexe VI, des règlements drastiques visant la réduction des émissions des NOx. En effet, depuis Septembre 1997, la convention MARPOL a été amendée en incluant l’annexe VI réservé à la prévention de la pollution de l’air par les navires. L’Annexe VI de la MARPOL fixe les limites des émissions des NOx et des oxydes de soufre (SOx) provenant des gaz d’échappement des navires et interdit les émissions de substances appauvrissant la couche d’ozone. Les normes d’émissions de l’OMI sont communément appelées Tier I, II et III. Les normes du Tier I ont été définies dans la version 1997 de l’annexe VI, tandis que les normes des Tier II et III ont été introduites par les amendements de l’annexe VI adoptés en 2008. Les limites des émissions de NOx sont fixées pour les moteurs Diesel en fonction de leur vitesse maximale (n, trs/min) comme l’indique le Tableau 1.1. Les niveaux des Tier I et II sont mondiaux, alors que les normes du Tier III ne s’appliquent que dans les zones de contrôle des émissions des NOx (ECA) (IMO, 2008).
La sévérité grandissante des restrictions relatives aux émissions de polluants des moteurs Diesel marins impose une amélioration permanente des techniques permettant de les réduire. Il s’agit en particulier de réduire encore d’avantage les NOx, le CO2 et les particules. Les émissions des NOx et des particules peuvent être réduites d’une manière considérable en adoptant une combustion homogène qui consiste à allumer simultanément le mélange air-carburant par auto-inflammation. Les moteurs à allumage par compression d’une charge homogène (HCCI, pour Homogeneous Charge Compression Ignition) sont les plus économes en carburant en raison de leurs taux de
4 compression relativement élevés et l’absence de pertes par étranglement. Ils permettent d’atteindre des rendements élevés avec de faibles émissions de NOx et de particules comparés aux moteurs Diesel classiques (Zhao et al., 2003).
Tableau 1.1. Limites des émissions des NOx fixées par l’annexe VI de la MARPOL
Tier Date Limites des NOx (g/kWh)
n < 130 130 < n < 2000 n ≥ 2000
Tier I 01/2000 17.0 45 n-0.2 9.8
Tier II 01/2011 14.4 44 n-0.23 7.7
Tier III (ECA) 01/2016 3.4 9 n-0.2 1.96
Les moteurs à allumage par compression de charge homogène (HCCI, pour Homogeneous Charge Compression Ignition) offrent la possibilité d’atteindre des rendements comparables à ceux des moteurs Diesel avec de faibles émissions de NOx et de particules. Dans un moteur HCCI, le carburant est injecté dans l’air (préchauffé) dans le collecteur d’admission pour créer une charge homogène. Lors de la course de compression, la charge est chauffée davantage pour atteindre l’auto-inflammation à proximité du point mort haut. Avec un HCCI, il n’y a pas de contrôle direct du début de la combustion, étant donné que le processus d’allumage spontané repose sur une auto-inflammation. Le calage de l’allumage peut être contrôlé indirectement en ajustant correctement les paramètres de fonctionnement.
Figure 1.1. Combustion dans un moteur HCCI en comparaison avec un moteur à allumage commandé et un moteur Diesel
5 Le Diesel est le carburant le plus couramment utilisé dans les moteurs à allumage par compression. Malgré les efforts consentis pour son remplacement, sa domination va durer au moins dans un avenir proche. Les carburants susceptibles de remplacer le Diesel sont principalement les biocarburants, le gaz naturel et l’hydrogène. Le gaz naturel semble le mieux adapté pour les applications marines étant donné que les autres carburants reviennent trop chers pour le moment. Il a le potentiel d’assurer des performances similaires au Diesel avec de faibles émissions. Il est également largement disponible à des prix raisonnables comparés au carburant Diesel. Le méthane, principal composant du gaz naturel, possède une large plage d’inflammabilité permettant un mélange pauvre dans les moteurs. Il brûle lentement avec une faible température de flamme. La combustion du gaz naturel dans les moteurs Diesel produit de très faibles niveaux d’émissions de CO et des particules. Il n’a pas d’effet sur le niveau des émissions d’hydrocarbures (HCs) (Karila et al., 2004).
1.1 Revue Bibliographique
Il est nécessaire, dans toute étude, de s’attarder sur les travaux de la littérature en relation avec le sujet traité. Depuis l’émergence des préoccupations relatives aux problèmes de la pollution atmosphérique, une grande attention est donnée aux moteurs HCCI à travers des études théoriques, numériques et expérimentales si nombreuses qu’il devient très difficile d’en faire une synthèse. Trois types d’études ont été jugés intéressants dans le cadre de cette thèse :
les travaux relatifs aux technologies de réduction des émissions des moteurs Diesel marins,
les travaux sur la technologie des moteurs HCCI,
6
1.1.1 Travaux antérieurs sur les technologies de réduction des émissions des moteurs Diesel marins
L’inquiétude croissante sur les effets nocifs des émissions polluantes émises par les moteurs à combustion interne a rendu les réglementations internationales plus strictes. En réponse, les chercheurs se trouvaient dans l’obligation d’innover des nouvelles techniques de réduction des émissions.
Kondoh (1992) a résumé les résultats d’une étude sur les émissions des NOx des moteurs Diesel marins et les techniques de réduction de ces émissions. Il s’est intéressé aux techniques en relation avec la chambre de combustion, les paramètres de fonctionnement et les techniques de post-traitement. Maeda et al. (1996) ont présenté les méthodes de réduction des émissions des NOx des moteurs Diesel marins. Dans la première partie de leur étude, ils ont évalué les émissions de NOx des navires sur la base de leur architecture. Ensuite, le retard à l’injection et les paramètres de navigation ont été examinés pour un navire équipé d’une hélice à pas variable sous deux conditions différentes (avant et après cale sèche). Les résultats obtenus ont montré que les émissions des NOx peuvent être diminuées en réduisant le coefficient de résistance totale du navire, sa vitesse et en augmentant le rendement de son hélice. Latorre (2001) a présenté une étude sur le rôle des systèmes informatiques et de communication embarqués dans la réduction des émissions des NOx et de la consommation du carburant des bateaux de pêche. Il a constaté que la diminution de la charge du moteur ou le retard à l’injection du carburant peuvent diminuer les émissions des NOx. De même, un nettoyage de la coque peut réduire jusqu’à 30% les émissions des NOx et la consommation. Finalement, l’intégration de systèmes informatisés réduit de 15% la consommation et les émissions de NOx.
Comme technique de post-traitement, Lin (2002) a étudié l’efficacité de l’utilisation d’un catalyseur-filtre monté en aval du système d’échappement d’un moteur Diesel marin de réduire les émissions polluantes et les suies. L’expérience a été effectuée pour divers paramètres de fonctionnement. Il a trouvé que la température d’échappement, le CO et les suies ont été considérablement réduits par l’installation de cet équipement. Farrell et al. (2002) ont présenté une méthodologie pour estimer les
7 émissions de la pollution de l’air par les ferries et les coûts des stratégies de contrôle de ces émissions. La méthodologie est utilisée pour estimer les émissions et les coûts de mise en conformité ou remotorisation des ferries avec sept options technologiques (combinaisons de systèmes de propulsion et de contrôle des émissions) sur trois navires en service dans la baie de San Francisco. Les technologies incluent l’amélioration de la conception des moteurs, des carburants plus propres (y compris le gaz naturel), et des dispositifs de traitement des gaz d’échappement. Les trois navires couvrent une large gamme d’âges et de technologies, d’un monocoque de 25 ans à un catamaran à grande vitesse de 4 ans. Il a été constaté que toutes les options sont rentables par rapport aux autres stratégies de contrôle des émissions déjà en place dans le secteur de transport. Kang et al. (2004) ont examiné les émissions des NOx des moteurs Diesel marins coréens et les technologies de réduction de ces émissions. Ils ont constaté, qu’en général, les moteurs Diesel marins coréens répondent aux normes en vigueur de l’OMI sur les émissions des NOx. Cependant, de nouvelles technologies doivent être envisagées pour affronter de futures réglementations, plus sévères, de l’OMI.
Roy (2006) a présenté les résultats d’un projet visant l’étude des émissions des moteurs Diesel et des turbines à gaz utilisés dans des applications marines. Le projet contient un nombre réduit de formulations chimiques qui permettent une économie dans le temps de calcul, un mélange pauvre qui réduit les émissions des NOx, une atomisation à la vapeur d’eau ou à l’air riche en oxygène, une atomisation électrostatique, un catalyseur et des inserts poreux. Ces techniques permettent d’assurer une combustion stable. Hountalas et al. (2006) ont constaté une nette réduction des émissions des NOx en utilisant les techniques des émulsions eau-carburant et l’injection d’eau. La réduction des émissions des NOx en utilisant une émulsion eau-carburant est meilleure que dans le cas d’injection de l’eau dans le collecteur d’admission. Dans une autre étude, les mêmes auteurs ont utilisé un modèle de simulation multizone pour réaliser une évaluation comparative entre les techniques les plus prometteuses de réduction des NOX, à savoir la recirculation des gaz d’échappement, l’injection de l’eau et les émulsions eau-carburants. L’étude a été
8 menée sur un grand moteur Diesel sous différentes conditions de fonctionnement. La simulation a permis de fournir des informations sur le mécanisme de combustion, l’historique de la température et la formation des NOx et des suies pour les trois techniques citées ci-dessus (Hountalas et al., 2007).
Chang et al. (2008) ont étudié trois systèmes de propulsion : Turbine à vapeur en dual-fuel, Diesel électrique en dual-fuel et Diesel en dual-fuel avec un système de re-liquéfaction. Duran-Grados et al. (2009) ont suivi une approche dynamique pour contrôler les niveaux d’émissions en fonction des conditions de fonctionnement du moteur. Les propriétés physiques et chimiques de différentes huiles végétales ont été analysées par Espadafor et al. (2009) dans le but de les utiliser dans les moteurs Diesel marins en remplacement aux carburants lourds. La présence de l’oxygène dans la composition moléculaire des huiles végétales permet de réduire les émissions des suies et des particules. Cependant, les émissions des NOx sont relativement élevées et peuvent être réduites par un ajustement approprié du moteur. Goldsworthy (2009) s’est intéressé dans son étude à l’importance des émissions des moteurs marins, la réglementation et les technologies de contrôle des émissions. Il a expliqué le potentiel de réduction des émissions par le réglage des paramètres du moteur, l’utilisation des émulsions eau-carburant, la recirculation des gaz d’échappement, l’utilisation de catalyseur et l’utilisation du gaz naturel comme carburant. Il a conclu que l’utilisation du gaz naturel comme carburant peut satisfaire les exigences du Tier 3 sans post-traitement.
Niki et al. (2010) ont développé et testé des catalyseurs pour moteurs Diesel marins semi-rapides à quatre temps. Ils ont examiné le taux de réduction des émissions des NOx sous différentes charges du moteur et en utilisant l’ammoniac et l’urée comme agents de réduction. Fujita et al. (2010) ont développé et testé un catalyseur sur un banc d’essais d’un moteur Diesel marin lent. Les tests ont été concluants en utilisant un carburant à faible teneur en soufre à basses températures d’échappement. Yoon et Lee (2011) ont effectué une étude expérimentale pour étudier l’influence des caractéristiques de combustion en mode dual-fuel sur les émissions des polluants et les performances de combustion d’un moteur Diesel utilisant le biogaz et le biodiesel
9 comme carburants. La pression de combustion et le taux de dégagement de chaleur ont été évalués sous diverses conditions. Les résultats ont montré aussi que les caractéristiques de combustion du biodiesel et du Diesel sont semblables sous diverses charges du moteur. En mode dual-fuel, la pression maximale et le dégagement de chaleur du couple biogaz-biodiesel étaient légèrement inférieurs à ceux du couple biogaz-diesel à faible charge. A 60% de la charge, la combustion du biogaz-biodiesel donne une pression maximale, un taux de dégagement de chaleur et une pression effective moyenne indiquée légèrement supérieurs à ceux du Diesel. Le biogaz-biodiesel a fourni de bonnes performances en termes de réduction des émissions des suies.
Andreadis et al. (2011) ont exploré la possibilité d’améliorer le fonctionnement d’un moteur Diesel marin à deux temps à pleine charge en mettant en œuvre une injection pilote appropriée. Le calcul est basé sur le code KIVA-3 couplé à un algorithme évolutionnaire. Une optimisation multi-objective du moteur a été effectuée par le paramétrage des profils d’injection de carburant en fonction de quatre variables de conception, qui définissent l’injection pilote et l’injection principale. Deux fonctions objectives ont été définies: la concentration finale des NOx et la consommation spécifique du carburant. Ces deux paramètres ont été normalisés par des valeurs correspondantes à un cas de référence d’une injection continue. Yu et al. (2011) se sont intéressé aussi aux technologies employées à bord des navires pour réduire les émissions des NOx des moteurs Diesel marins. Ils ont proposé aussi des chemins de développement dans ce domaine. Jayaram et al. (2011) ont comparé les marges d’émissions de trois technologies de contrôle: le passage à des carburants plus propres, le fonctionnement en mode de faibles taux d’oxydes d’azote, et la réduction catalytique sélective. L’utilisation de carburants plus propre a entraîné des réductions de NOx allant de 7 à 41% sur différents moteurs et une réduction des particules jusqu’à 83%. Le fonctionnement en mode de faibles émissions des NOx réduit d’environ 32% les NOx. Cependant, les émissions des particules restent inchangées. La réduction catalytique sélective a réduit le facteur d’émissions des NOx à moins de 2.4 g/kW.h, mais elle a augmenté les émissions des particules par un facteur de 1.5 à
10 3.8. Clinton et al. (2011) ont développé et testé un système de post-traitement basé sur un catalyseur utilisant l’urée pour l’élimination des émissions des NOx d’un moteur Diesel marin. Le système a permis d’atteindre 50% de réduction des émissions des NOx sans rejet d’ammoniac. Le rapport coût-efficacité du système a été déterminé. Un investissement de 50 000 $ a permis d’atteindre 2705$/t d’émissions de NOx.
Tesfa et al. (2012) ont mené une étude expérimentale sur la combustion, les performances et les émissions d’un moteur à allumage par compression fonctionnant au biodiesel et équipé d’un système d’injection d’eau pour la réduction des émissions des NOx. Les essais ont été effectués sur un moteur Diesel suralimenté quatre cylindres à quatre temps à injection directe. Le moteur utilise un biodiesel produit à partir de l’huile de colza. La pression dans le cylindre, la consommation spécifique du carburant, le débit d’injection d’eau, le débit du carburant et les émissions dans les gaz d’échappement (NOx, CO, CO2 et THC) ont été mesurés. Les résultats expérimentaux ont montré clairement que l’injection d’un débit d’eau de 3 kg/h provoque une réduction d’environ 50% des émissions des NOx sans affecter la consommation spécifique du carburant. De plus, l’injection de l’eau dans le collecteur d’admission a peu d’effet sur la pression du cylindre et le taux de pertes de chaleur sous différentes conditions de fonctionnement. Duran et al. (2012) ont examiné le rôle de la maintenance des moteurs Diesel marins dans la réduction de la pollution. Ils ont testé trois moteurs. Le premier a été construit avant Janvier 2000, alors que les deux autres ont été construits après 2000. Ils ont essayé d’expliquer comment l’état des buses d’injecteurs d’un moteur et une pression d’injection défectueuse influencent de manière significative les émissions des NOx et du CO. Les essais ont montré que lorsque le moteur construit avant 2000 fonctionne sous des conditions normales, les émissions se situent dans les limites. Les émissions dépassent la limite si une petite erreur dans l’instant d’injection a été provoquée. Pour les moteurs construits après 2000, un défaut d’entretien des buses augmente les émissions du CO à un niveau élevé. Ma et al. (2012) ont étudié plusieurs options de réduction des émissions des SOx dans le transport maritime, allant de la mise au point de carburant à faible teneur en soufre à l’équipement du navire de systèmes d’épuration appropriés. Les résultats
11 ont suggéré que le système d’épuration, utilisé avec des fiouls lourds, a le potentiel de réduire les émissions des SOx avec une consommation et des émissions de gaz à effet de serre inférieures à l’utilisation de carburants pauvres en soufre produit à la raffinerie.
Bechir (2013) a montré la possibilité de réguler le mélange air-carburant dans un moteur Diesel marin par le contrôle de la vitesse de la turbine de suralimentation à travers une vanne de dérivation. La consigne du régulateur est la teneur en oxygène dans les gaz d’échappement. Un modèle d’un moteur Diesel marin Wartsila NSD12ZAV40S d’une puissance nominale de 8200 kW a été utilisé. La simulation a été réalisée à l’aide de Matlab/Simulink en se basant sur les données du fabricant du moteur. Les résultats de simulation ont été présentés pour illustrer les performances de cette approche. Zhou et al. (2013) ont montré par simulation qu’un retard à l’injection du carburant permet de réduire les émissions des NOx pour se conformer avec les exigences de l’OMI au détriment de la consommation. Les résultats de la simulation ont été vérifiés par tests expérimentaux. Lamas et al. (2013) ont analysé plusieurs modifications internes du moteur pour réduire les émissions des NOx et d’autres polluants à travers une simulation numérique du cycle de fonctionnement d’un moteur marin semi-rapide à quatre temps. Après une validation, le modèle numérique a été utilisé pour étudier l’influence de plusieurs modifications internes, telles que l’addition d’eau de 0 à 100%, la recirculation des gaz de 0 à 100%, la modification du timing de chevauchement entre 60 et 120°, la modification de la fermeture de la soupape d’admission de 510 à 570°, et la modification de la température de l’eau de refroidissement de 70 à 90°C. Les émissions des NOx ont été réduites de près de 100%, alors que les émissions du CO et des HCs et la consommation ont augmenté. Récemment, dans le but de réduire les émissions des NOx des moteurs Diesel marins, Verschaeren et al. (2014) ont proposé des mesures internes du moteur comme une alternative viable aux systèmes de post-traitement coûteux et encombrants. Ils ont développé une nouvelle méthode pour déterminer le taux des gaz d’échappement recyclés. Les effets de différents taux d’EGR sur la consommation du carburant et les émissions ont été étudiés. Les mesures de la pression dans le cylindre et du taux de
12 dégagement de chaleur ont permis d’expliquer l’effet de l’EGR sur la combustion. Pan et al. (2014) ont étudié l’effet d’addition de l’hydrogène dans un carburant à ultra-faible teneur en soufre sur les émissions d’un moteur Diesel marin à deux temps. Les résultats ont montré que les émissions du CO2 n’ont pas été affectées par l’addition de l’hydrogène. Par contre, les émissions du CO ont été réduites par 21% dans le cas où 6.9% de l’énergie du carburant ajouté est fournie par l’hydrogène. Le taux de réduction a augmenté jusqu’à 37.3% dans le cas où 103.14 de l’énergie du carburant ajouté est fournie par l’hydrogène. Cependant le taux d’émissions des suies a considérablement augmenté.
1.1.2 Travaux antérieurs sur la technologie HCCI
Le concept de la technologie HCCI a été initialement étudié pour des applications à essence par Onishi et al. (1979) pour augmenter la stabilité de combustion des moteurs deux temps. Ils ont constaté que des réductions importantes des émissions et une amélioration de l’économie de carburant pourraient être obtenues en créant des conditions qui conduisent à une inflammation spontanée de la charge dans le cylindre. Une combustion HCCI stable pourrait être réalisée entre les limites inférieure et supérieure de la charge de l’essence à un taux de compression de 7.5:1 sur une plage de vitesse du moteur variant de 1000 à 4000 trs/min. Noguchi et al. (1979) ont effectué une analyse spectroscopique sur une combustion HCCI par des essais expérimentaux sur un piston opposé d’un moteur à deux temps. Des investigations optiques, ils ont noté que l’allumage a eu lieu en de nombreux points dans le cylindre et aucune flamme discernable n’a été observée lors de la combustion. En utilisant des méthodes spectroscopiques pour détecter les espèces intermédiaires, ils ont mesuré des niveaux élevés de CH2O, HO2, et des radicaux O dans le cylindre avant l’auto-allumage. Ces espèces sont des caractéristiques de la chimie de l’auto-allumage à basse température des carburants hydrocarbures parafiniques. Après l’allumage, ils ont observé de fortes concentrations de CH, H et des radicaux OH, qui sont indicatifs de la chimie à haute température lors de la combustion.
13 S’appuyant sur des travaux antérieurs sur les moteurs à deux temps, Najt et Foster (1983) ont étendu le travail vers les moteurs à quatre temps et ils ont tenté d’obtenir une compréhension supplémentaire de la physique de la combustion HCCI. Ils ont conclu que l’auto-allumage est contrôlé par une basse température (inférieure à 1000 K) et l’énergie libérée est contrôlée par une température élevée (supérieure à 1000 K). Thring (1989) s’est basé sur l’étude de Najt et Foster(1983) pour examiner les performances d’un moteur HCCI fonctionnant avec une essence totalement mélangée. Il a constaté que le régime de fonctionnement a été limité à un fonctionnement à charge partielle, et le contrôle de la synchronisation de l’auto-inflammation était la problématique.
Pour le Diesel, l’injection de carburant est peut-être l’approche la plus simple pour obtenir une charge pré-mélangée et cette approche a été utilisée dans certaines des recherches antérieures sur le moteur Diesel HCCI (Ryan et Callahan, 1996 ; Gray et Ryan, 1997). Ryan et Callahan (1996) ont utilisé injecté le carburant dans le flux de l’air d’admission. Un dispositif de chauffage de l’air d’admission en amont du point d’injection de carburant a permis son préchauffage, avec des taux de compression du moteur variant de 7.5 à 17:1. Cette étude et l’étude suivante sur le même moteur (Gray et Ryan, 1997) ont montré que pour un moteur Diesel HCCI, un allumage très prématuré et du bruit ont eu lieu en utilisant des taux de compression typiques d’un moteur Diesel ; des températures d’admission relativement élevées ont été nécessaires pour minimiser l’accumulation de carburant liquide sur les surfaces dans le système d’admission ; et les émissions des HCs avaient ont tendance à être très élevées, mais les émissions de NOx ont été considérablement réduites.
Seref (2005) a développé un modèle thermodynamique zéro-dimension d’un moteur HCCI prenant compte du dégagement de chaleur et de l’auto-inflammation. Il a conclu que si les conditions initiales de charge sont connues à la fermeture de la soupape d’admission, le temps d’auto-inflammation est contrôlé. Il a trouvé aussi qu’un rendement thermique de 45% avec 4 à 5 bars de pression moyenne indiquée peuvent être obtenu dans ce type de moteurs. Soylu (2005) a utilisé un modèle thermodynamique zéro dimensions qui contient un sous-modèle simple de dégagement
14 de chaleur et un modèle d’auto-inflammation de façon prédictive afin de mieux comprendre les processus dans le cylindre et le potentiel du gaz naturel en mode HCCI. Le modèle a été également utilisé dans une étude paramétrique pour évaluer les stratégies de contrôle de la combustion HCCI. Les résultats ont indiqué que si les conditions initiales du mélange sont connues avec précision à la fermeture de la soupape d’admission, le moment de l’auto-allumage peut être commandé. Une étude des détails de l’admission, la vaporisation, la combustion et les processus de formation des polluants dans un moteur à allumage par compression utilisant un carburant ayant un indice d’octane élevé a été réalisée par Zhi et al. (2006). La simulation numérique a été réalisée à l’aide d’un code CFD couplé à la cinétique chimique. Les résultats numériques ont été validés en utilisant les données expérimentales d’un moteur HCCI à injection directe. Les résultats des calculs montrent que la périphérie de la zone riche en carburant formée par la deuxième injection s’enflamme en premier, puis la zone riche en carburant s’enflamme et amorce l’allumage de la zone de mélange pauvre environnante formée par la première injection. Alex et Alkidas (2007) ont étudié trois modes de combustion dans un moteur à allumage commandé : allumage commandé de charge stratifiée, allumage commandé de charge homogène et allumage par compression de charge homogène. Les résultats ont montré que le moteur à injection directe en mode d’allumage commandé possède un rendement effectif environ 15% meilleur que les autres solutions.
Canakci (2008) a étudié expérimentalement l’influence de la pression d’admission de l’air sur les performances et les émissions d’un moteur HCCI utilisant l’essence comme carburant. Les essais ont été effectués pour trois pressions d’admission en maintenant la richesse à 0.22 et la température à 119°C. D’après les résultats obtenus, le couple du moteur est maximal si le début de l’injection est avancé tout en augmentant la pression d’admission. La vitesse de rotation a un effet négatif sur le couple du moteur. De plus, la température d’échappement augmente avec l’augmentation de la vitesse de rotation. Par contre, elle diminue avec l’augmentation de la pression d’admission. L’augmentation de la vitesse de rotation diminue le rendement de combustion. L’augmentation de la vitesse de rotation augmente les émissions du CO et diminue les émissions des HCs. Ganesh et al. (2008) ont étudié
15 expérimentalement les performances et les émissions de la combustion dans un moteur Diesel HCCI avec une technique externe de préparation du mélange. Un moteur Diesel monocylindrique à quatre temps à injection directe développant une puissance de 4.4 kW à 1500 trs/min a été modifié pour fonctionner en mode HCCI. Pour former un mélange homogène, le carburant Diesel est vaporisé dans un vaporisateur. Ce dernier est connecté au système d’admission pour fournir la vapeur du Diesel qui sera mélangée avec l’air. Le mélange homogène formé est introduit dans le moteur. Pour contrôler l’allumage du mélange, la technique de recirculation des gaz d’échappement a été utilisée. Les essais ont été effectués pour deux cas : 0% EGR et 10% EGR. Les résultats obtenus ont été comparés avec ceux d’un moteur Diesel conventionnel à injection directe. Ils ont constaté que le délai d’inflammation a été réduit considérablement dans le cas de la combustion en mode HCCI en raison d’une meilleure préparation du mélange qui conduit à une réduction des émissions. Une réduction de 80% de NOx et de 30% de suies est constatée dans le cas de l’utilisation de 10% d’EGR comparée à un mode Diesel conventionnel. Cette réduction est moins importante dans le cas de 0% EGR. Ma et al. (2008) ont effectué une étude expérimentale sur un moteur Diesel monocylindre qui utilise un port d’injection de n-heptane en association avec un port d’injection directe du Diesel. Ce moteur fonctionne en mode HCCI. Ils ont étudié l’influence du rapport de pré-mélange et le temps d’injection sur les performances et les émissions du moteur. Ils ont constaté que les émissions des NOx ont nettement diminué avec un taux de pré-mélange partiel. Elles ont une tendance décroissante en fonction du taux de pré-mélange quand ce dernier est inférieur à 0.3. Pour des valeurs plus élevées elles augmentent. L’influence du rapport de pré-mélange sur les émissions du CO et des HCs a été également évaluée.
L’allumage et l’angle d’auto-allumage ont été modélisés par Hernandez et al. (2010) à l’aide de plans d’expérience en utilisant le critère D-optimal. Les modèles développés ont une qualité de lissage acceptable et une capacité prédictive. Le rapport carburant/comburant et la température d’admission sont les paramètres les plus importants du moteur qui affectent l’apparition de l’auto-allumage, alors que la
16 température et la pression d’admission apparaissent comme les paramètres les plus importants pour déterminer l’angle d’auto-inflammation. Ces modèles pourraient être utilisés par l’unité de contrôle du moteur comme technique embarquée de diagnostic pour contrôler la combustion HCCI en temps réel. Les paramètres optimaux du moteur pour cinq conditions de fonctionnement spécifiques ont été également calculées en utilisant les modèles mentionnés ci-dessus et par la résolution de deux problèmes d’optimisation non-linéaire. Deux modèles de régression polynomiaux pour la prédiction du temps d’auto-allumage du carburant Diesel conventionnel sous le mode HCCI ont été proposés. Le premier modèle prédit si l’auto-inflammation se produit sous des conditions spécifiques du moteur. Le second modèle prédit l’instant (angle du vilebrequin) de l’auto-allumage. Ebrahimi et Desmet (2010) ont présenté les résultats d’une étude expérimentale sur la vitesse et la dispersion cyclique dans un moteur HCCI. Les résultats expérimentaux ont montré que la durée de la réaction à basse température joue un rôle important dans la combustion HCCI, notamment à des régimes élevés du moteur. En outre, la dispersion cyclique du moteur présente, sous certaines conditions, un comportement périodique correspondant à 2 où 3 cycles du moteur. Ils ont conclu que les gaz résiduels du cycle modifient trois propriétés (température, dilution et composition) des gaz dans le cylindre au cycle suivant. Nathan et al. (2010) ont mené des essais sur un moteur HCCI utilisant l’acétylène comme carburant sous différentes charges. Initialement, l’air a été chauffé à différentes températures pour déterminer le niveau optimum à chaque charge. Les températures exigées variaient de 40 à 110°C pour des pressions moyennes effectives allant de 0 à 4 bars. Ils ont constaté qu’aux charges élevées, l’utilisation de l’EGR provoque le bruit. Ainsi, il est nécessaire de contrôler avec précision la température et la quantité d’EGR dans ces conditions. Les niveaux des émissions des NOx et des fumées étaient très faibles. Cependant, les niveaux des HCs étaient élevés à environ 1700-2700 ppm. Le rendement effectif était comparable voire meilleur que celui d’un moteur conventionnel.
Xu et al. (2011) ont utilisé un modèle Chemkin avec les détails de la cinétique chimique a été utilisé pour analyser les caractéristiques de combustion et les
17 performances d’un moteur HCCI à piston libre couplé à un piston hydraulique. Le préchauffage de l’air d’admission, le taux de compression variable et l’EGR interne ont été utilisés pour contrôler l’allumage et la durée de combustion dans les simulations du cycle, révélant les facteurs critiques et les limites possibles d’amélioration des performances des moteurs à manivelle classique. Ils ont constaté que le début précoce de la combustion (avant le point mort haut) mène à une augmentation rapide de la température de la charge dans un temps bref, ce qui accélère les réactions de combustion. Dans le cas contraire, le transfert de chaleur a été réduit, ce qui a provoqué un taux de réaction plus intense.
Junnian et Jerald (2012) ont étudié la température initiale minimale, les performances et les émissions d’un moteur monocylindrique d’une cylindrée de 0.4 litres et un taux de compression de 21.5 :1, fonctionnant sur le gaz naturel en mode HCCI. Ils ont utilisé le logiciel Chemkin pour la simulation de 325 réactions chimiques de la combustion du gaz naturel avec 53 espèces chimiques. Ils ont trouvé qu’en augmentant la richesse de 0.1 et la vitesse de rotation du moteur de 500 trs/min, 5K supplémentaires sont nécessaires pour compléter la combustion. Cependant, 0.7 bar est gagnée en pression effective indiquée. Canakci (2012) a étudié expérimentalement l’effet de la pression d’admission sur la combustion et les émissions d’un moteur Diesel HCCI. L’effet de la pression d’admission sur les caractéristiques de la combustion (pression du cylindre, pertes de chaleur, rendements du moteur et pression moyenne effective) et sur les émissions (CO, NOx HCs) a été discuté. Khaliq et al. (2012) ont utilisé le premier principe et le second principe de la thermodynamique pour l’analyse d’un système basé sur un moteur HCCI fonctionnant à l’éthanol humide. Ils ont étudié les effets du rapport de pression du turbocompresseur, de la température ambiante, et du rendement isentropique du compresseur sur les rendements énergétique et exergétique du moteur et les pertes d’exergie dans chaque composant du système. Ils ont montré que l’effet du rapport de pression sur la perte d’exergie est plus important que l’effet du rendement du compresseur et la température ambiante. En outre, la plupart des pertes d’exergie (90.09%) se produisent dans le moteur HCCI. Khaliq et Trivedi (2012) ont mené une analyse thermodynamique basé
18 sur le premier principe et le second principe de la thermodynamique d’un nouveau cycle combinant un moteur HCCI alimenté par l’éthanol humide et un cycle organique de Rankine. Les auteurs ont constaté que les rendements énergétique et exergétique du cycle combiné varient considérablement avec le changement du rapport de pression du turbocompresseur de suralimentation, alors que la variation de la température du point de pincement, du rendement du turbocompresseur, et de la température ambiante provoquent de légères variations de ces rendements. Ils ont montré aussi que la plus grande perte exergétique se produit dans le moteur HCCI (68.7%).
Pour étendre la marge de fonctionnement d’un moteur HCCI utilisant l’éther de diméthyle comme carburant, l’injection directe et la recirculation des gaz d’échappement ont été utilisées par Jang et al. (2013) pour étudier leur effet sur les caractéristiques de la combustion. Un moteur monocylindrique avec injection directe et injection indirecte a été utilisé. Les résultats expérimentaux ont montré que le cas de l’injection directe offre une meilleure pression moyenne effective par rapport à l’injection indirecte. L’EGR augmente la pression moyenne effective. Ils ont conclu que l’injection directe avec un timing optimum de l’injection et la recirculation des gaz d’échappement provoque une amélioration, respectivement, de 22% et 55%. Ghorbanpour et Rasekhi (2013) ont simulé un moteur à allumage par compression à l’aide du code AVL Fire. Après la validation, les auteurs ont tenté d’adapter le modèle pour un moteur HCCI. Les effets de différents paramètres tels que le temps d’injection, la richesse et la recirculation des gaz d’échappement sur les performances de la combustion HCCI ont été analysés. Les résultats obtenus ont été en bon accord avec les données expérimentales. Ils ont constaté que le timing de l’allumage et la richesse peuvent contrôler la basse et la haute température des réactions. En outre, l’injection avancée peut créer un mélange homogène et par conséquent elle facilite la conversion du carburant. L’utilisation de la recirculation des gaz d’échappement peut retarder le début de la combustion. Pour les émissions, les résultats ont montré que le moteur HCCI peut réduire les émissions tout en conservant les bonnes performances. Hongqing et al. (2014) ont proposé un modèle thermodynamique zéro-dimension à une seule zone utilisant le bilan exergétique pour un moteur à combustion à faible
19 température. Ils ont étudié l’influence des différentes espèces chimiques sur la conversion exergétique. L’effet des caractéristiques du carburant sur la perte d’exergie dans la combustion HCCI est également étudié. Les résultats ont montré qu’en augmentant la fraction volumique de l’iso-octane, les irréversibilités augmentent et l’exergie de chaleur diminue. Ils ont constaté que 41.1% de l’exergie du carburant est convertie en travail utile, 33.8% est détruite par irréversibilités, et 19.4% est prise par les gaz d’échappement, alors que 5.7% est détruite par transfert de chaleur à travers les parois du cylindre. Afin de comprendre la variation des pertes d’exergie avec les conditions de fonctionnement d’un moteur HCCI, Saxena et al. (2014) ont couplé une analyse exergétique avec un modèle multizone de la cinétique chimique pour l’étude d’un moteur HCCI fonctionnant à essence.
1.1.3 Travaux antérieurs sur les carburants alternatifs dans les moteurs HCCI
La situation inquiétante d’approvisionnement en énergie couplée aux problèmes de réchauffement climatique a provoqué une sévérité grandissante des restrictions relatives aux émissions de polluants des moteurs à combustion interne. En réponse à ces restrictions, plusieurs carburants alternatifs ont été proposés.
Cette option a stimulé de nombreuses études dans la littérature. Par exemple, Henham et Makkar (1998) ont examiné les performances d’un moteur Diesel dual-fuel utilisant le biogaz. L’étude a été réalisée en utilisant un biogaz de qualité variable représentant une large gamme de la composition CH4-CO2 qui peut être rencontrée dans les différentes sources du gaz.
Tanaka et al. (2003) ont élaboré un modèle thermodynamique pour un moteur HCCI fonctionnant aux carburants primaires de référence. Un modèle réduit de la cinétique chimique comportant 55 réactions de 32 espèces chimiques a été utilisé et l’effet du transfert de chaleur de la paroi sur la température adiabatique du gaz a été pris en considération par l’addition d’un volume de déplacement de la couche limite laminaire au volume du cylindre. Une interaction simple entre le n-heptane et l’iso-octane a été également introduite. Ils ont constaté que la première phase du dégagement de chaleur
20 diminue d’une façon non-linéaire avec l’augmentation du nombre d’octane. Par contre, le délai d’inflammation augmente avec l’augmentation du nombre d’octane. Dans cette étude, le taux total de dégagement de chaleur et le dégagement de chaleur ont été déterminés par le taux d’oxydation du CO durant la phase d’explosion qui suit le délai d’inflammation. Papagiannakis et Hountalas (2003) ont effectué une étude expérimentale sur un moteur Diesel monocylindre à injection directe, qui a été modifié pour fonctionner en mode dual-fuel (le gaz naturel comme carburant primaire et le Diesel comme carburant pilote). Les résultats obtenus ont été comparés à ceux d’un moteur Diesel conventionnel. Il a été constaté que le fonctionnement en mode dual-fuel donne une pression de cylindre plus faible une durée de combustion plus longue par rapport à un Diesel classique. L’utilisation du gaz naturel en mode dual-fuel a donné un effet positif sur les émissions des NOx. En même temps, il y a eu une diminution des émissions des suies indépendamment des conditions de fonctionnement du moteur. D’autre part, les niveaux des émissions du CO et des HCs ont été considérablement élevés.
Yap et al. (2005) ont effectué une expérience sur un moteur HCCI fonctionnant au propane. Avec un taux de compression modéré, la plage de charge du moteur a été contrôlée par la quantité d’EGR employée au système d’admission. Ils ont constaté qu’avec l’augmentation du taux de compression, la température d’admission nécessaire pour l’auto-inflammation du propane diminue. Hu et al. (2006) ont étudié expérimentalement les effets du taux de compression d’un moteur HCCI fonctionnant à l’éther de diméthyle sur ses performances, sur la combustion et sur les émissions. Les résultats expérimentaux ont indiqué que le moteur HCCI présente une région stable de travail et un rendement thermique à un taux de compression de. Ils ont constaté également qu’un taux de compression élevé produit une avance à l’allumage et une augmentation des taux d’énergie dissipés. La variation du taux de compression n’a pas d’effet sur les émissions de fumées et des NOx. L’utilisation de l’éther de diméthyle a permis d’obtenir une combustion sans fumées et des émissions de NOx nulles pour tous les taux de compression testés. Les émissions du CO ont été réduites avec l’augmentation du taux de compression. Les émissions des HCs présentent un
21 résultat spectaculaire. Elles sont maximales à un taux de compression de 10.7 et minimales à un taux de compression de 14. Wang et al. (2006) ont étudié l’effet de l’allumage commandé sur la combustion HCCI dans un moteur à essence à injection directe. Les résultats expérimentaux ont montré que l’allumage commandé améliore la stabilité de la combustion HCCI.
Frias et al. (2007) ont proposé une hypothèse selon laquelle un moteur HCCI peut fonctionner efficacement sur l’éthanol humide et que l’utilisation de l’éthanol humide dans les moteurs HCCI améliore le bilan énergétique de la production de l’éthanol. Ils ont réalisé une analyse énergétique d’un moteur HCCI utilisant l’éthanol humide et ils ont constaté une amélioration du bilan énergétique de l’éthanol et un rendement global maximal du système. Kong (2007) a simulé numériquement la combustion dans un moteur HCCI en utilisant un mélange gaz naturel-éther de diméthyle comme carburant. Les détails de la cinétique chimique de 360 réactions de 83 espèces ont été utilisé dans un code CFD de moteurs. Les résultats ont indiqué que la combustion, les émissions des NOx et les effets de la composition du carburant sur les limites de fonctionnement du moteur sont bien prédits par le modèle. Le dégagement de chaleur à basse température est beaucoup plus prononcé avec l’augmentation de la proportion d’éther de diméthyle. Le fonctionnement du moteur devient instable si la richesse en air est réduite à 2.
Sato et al. (2008) ont présenté un procédé pour augmenter la plage de fonctionnement du moteur HCCI en mélangeant deux combustibles avec des réactivités différentes. En premier lieu, l’éther diméthylique, le n-butane, ou l’hydrogène a été mélangé avec du méthane pour étudier l’effet de la variation des proportions du mélange sur la réaction d’oxydation du pré-mélange par des calculs numériques avec des réactions élémentaires. Sur la base des résultats, l’éther diméthylique ou le n-butane a été mélangé avec du méthane pour réaliser des expériences de combustion et de préciser les conditions de mélange de carburants bi-composants qui réalisent simultanément un rendement élevé et une grande efficacité thermique. Rehman et al. (2009) ont étudié les différentes caractéristiques et propriétés de combustion lors du choix d’un carburant pour un moteur. Afin de déterminer la possibilité de l’utilisation de l’huile
22 de karanja modifiée comme carburant pour moteur à allumage par compression, des tests de performance ont été réalisés. Une comparaison a été faite avec du carburant Diesel. La variation des paramètres d’injection a été analysée pour observer son influence sur les performances du moteur avec des carburants différents. Les résultats expérimentaux ont montré que le moteur Diesel donne de mauvaises performances à une basse pression d’injection comparées aux cas d’huile de karanja estérifié et son mélange avec du Diesel. Szwaja et Grab-Rogalinski (2009) ont conduit une étude sur la combustion simultanée de l’hydrogène et du Diesel en variant la concentration de l’hydrogène de 0 à 17%.
Hairuddin et al. (2010) ont réalisé une étude numérique comparative d’un moteur HCCI fonctionnant au Diesel-hydrogène, gaz naturel-Diesel et Diesel seul. Ils ont constaté que la combinaison hydrogène-Diesel a donné les meilleurs résultats en termes d’émissions de NOx, du CO, des suies et des particules comparée au cas gaz naturel-Diesel. Fathi et al. (2010) ont étudié le dégagement de chaleur d’un moteur HCCI fonctionnant sur différentes compositions d’i-octane, n-heptane, gaz naturel et un mélange gaz naturel-n-heptane. Ils ont utilisé deux méthodes : une méthode traditionnelle qui utilise le premier principe de la thermodynamique, et une méthode basé sur un nouveau modèle qui consiste à appliquer le premier principe et un solveur de température. Ils ont constaté que la deuxième méthode donne des résultats plus précis que la première.
Hosseini et al. (2011) ont étudié les effets de l’indice de cétane sur la combustion HCCI et les émissions. Les expériences ont été menées dans un seul cylindre, avec un taux de compression variable, d’un moteur en mode de combustion HCCI. Les carburants ont été finement atomisés et partiellement vaporisés dans le collecteur d’admission. Le carburant de base était un flux de faible cétane affiné provenant de sources de sables bitumineux. Les carburants hydro-traités ont exposé une combustion plus stable et plus complète que le carburant de base, ce qui a entraîné une grande région d’exploitation, une diminution des émissions du HCs et des NOx, et une baisse de la consommation spécifique du carburant. Les principaux inconvénients des carburants hydrotraités étaient les taux plus élevés de recirculation des gaz
23 d’échappement nécessaires pour retarder la combustion progressive, ce qui limite au maximum la pression moyenne indiquée pour une pression d’admission donnée, et l’augmentation d’intensité de cognement due à une accélération du processus de combustion. Nobakht et al. (2011) ont étudié l’influence de la température et la pression d’admission, le taux de compression, la richesse et la vitesse de rotation sur la combustion et les performances d’un moteur HCCI. Ils ont proposé un modèle à six zones couplé avec un code qui gouverne la cinétique chimique. Ce modèle tient en compte le phénomène de transfert de chaleur et de masse. Ils ont trouvé que la richesse et la pression d’admission ont la plus grande influence sur la combustion et les performances du moteur HCCI.
Singh et Agarwal (2012) ont mesuré le taux d’émissions du CO, NOx, CO2, O2 et HCs d’un moteur HCCI en variant la richesse de 0.26 à 0.54, la température d’admission de 70 à 120°C et le taux de compression de 10.2 à 13.5. Ils ont employé différents carburants : essence, essence de remplacement, Diesel, Diesel de remplacement et un mélange de n-heptane et toluène. Ils ont constaté que l’effet de la dilution dans le cas de l’essence, et la richesse des carburants utilisés est marginal sur les émissions des NOx. Parmi les carburants testés, le Diesel se distingue par le meilleur taux d’émissions.
He et al. (2013) ont testé plusieurs carburants : essence, 70% essence-30% n-butanol et butanol dans un moteur HCCI. Ils ont trouvé qu’en augmentant le taux de n-butanol dans le mélange, sous certaines conditions de fermeture de la soupape d’échappement, le début de l’auto-inflammation avance et la durée de combustion se réduit. L’augmentation du régime du moteur mène à un avancement du début de l’auto-inflammation. Par contre, la pression moyenne effective diminue avec l’augmentation du taux du n-butanol dans le mélange. Debnath et al. (2013) ont étudié expérimentalement l’effet du taux de compression et le temps d’injection sur les potentiels énergétique et exergétique d’un moteur Diesel monocylindre à injection directe utilisant l’ester de méthyle de l’huile de palme comme carburant. Les résultats ont montré que les valeurs élevées du taux de compression augmentent l’exergie sur l’arbre du moteur et l’exergie de l’eau de refroidissement, alors qu’elles diminuent
